摘要：為了更好的提升磷渣的附加值，本文研究以堿激發(fā)磷渣活性的方式制備制免蒸壓的加氣混凝土。文中研究了發(fā)氣劑摻量、水玻璃模數(shù)、堿含量、水固比和堿溶液溫度等因素對加氣混凝土容重的影響，根據(jù)GB 11968-2006 中的標(biāo)準(zhǔn)，制備出的加氣混凝土容重級別為B05~B08、抗壓強度級別為A2.5~A7.5。實驗結(jié)果表明：堿磷渣膠凝材料能夠制備出加氣混凝土，并且未經(jīng)過蒸壓養(yǎng)護的磷渣加氣混凝土的力學(xué)性能符合國家的相關(guān)要求。
關(guān)鍵詞：堿激發(fā)；磷渣；加氣混凝土；免蒸壓養(yǎng)護
中圖分類號：TQ170.9三廢處理與綜合利用
磷渣是電爐法制取黃磷過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢渣，據(jù)統(tǒng)計我國每年排放磷渣約500-600萬噸，由于其含有磷和氟，長期堆放在露天，經(jīng)過風(fēng)吹雨淋后有毒物質(zhì)經(jīng)水淋后會滲透到土壤中而造成環(huán)境污染[1]，同時也是對資源的一種浪費。磷渣中含有氧化硅、氧化鋁，是具有潛在活性的材料，因此充分利用磷渣不僅是減少環(huán)境污染、改善生態(tài)環(huán)境的必走路徑,也是防止資源浪費,提高經(jīng)濟效益,發(fā)展生態(tài)清潔工藝,使社會、經(jīng)濟、環(huán)境得以協(xié)調(diào)持續(xù)發(fā)展的重要措施[2]。
加氣混凝土又稱發(fā)氣混凝土，是通過發(fā)氣劑使水泥料漿拌合物發(fā)氣產(chǎn)生大量孔徑為0.5～1.5mm的均勻封閉氣泡，并經(jīng)過養(yǎng)護硬化而形成的一種多孔混凝土[3]，加氣混凝土具有輕質(zhì)、高強、節(jié)能、節(jié)土、保溫、隔熱、利廢、防火和易加工等優(yōu)點。加氣混凝土根據(jù)養(yǎng)護方式可以分為免蒸壓養(yǎng)護（NAAC）和蒸壓養(yǎng)護混凝土（AAC）[4]，目前國內(nèi)的加氣混凝土產(chǎn)品主要是以蒸壓的為主，對免征壓養(yǎng)護的加氣混凝土研究相對較少。
本文研究了堿激發(fā)磷渣制備加氣混凝土?xí)r的各種影響因素，并測試了不同齡期的免蒸壓磷渣加氣混凝土的強度。
1 實驗
1.1 原材料
實驗所用原料主要有磨細(xì)磷渣粉、水泥、堿激發(fā)劑和發(fā)氣劑。其中磷渣粉的比表面積為380～420m2/kg，密度2.6～2.8g/cm3，其主要的化學(xué)成分見表1；水泥采用貴州水泥廠生產(chǎn)的“烏江”P.O 42.5，檢驗結(jié)果見表2；粉煤灰為凱里電廠的原狀濕排灰。堿激發(fā)劑：由水玻璃和燒堿兩部分組成，其中水玻璃為市售，模數(shù)為3.2～3.4，固含量≥40%；NaOH 是貴州省遵義堿廠生產(chǎn)的片狀堿，含量≥96%；實驗選用Al 粉作為發(fā)氣劑。
表 1 磷渣的主要化學(xué)成分 w%
Table 1 Chemical composition of phosphorous slag w%
表2 水泥檢驗結(jié)果
Table 2 test result of cement
1.2 實驗方法
實驗澆筑成型時工藝參照普通加氣混凝土廠加氣混凝土的生產(chǎn)工藝，具體的工藝流程如圖1 所示。實驗中將磷渣加氣混凝土成型為10cm×10cm×10cm 的立方體試件，放入混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室中進行養(yǎng)護，待到規(guī)定的齡期后再取出試塊進行力學(xué)性能的測試，試塊體積密度的測試按GB/T 11970—1997《加氣混凝土力體積密度、含水率和吸水率試驗方法》進行，力學(xué)性能的測試方法按GB/T 11971—1997《加氣混凝土力學(xué)性能試驗方法》進行。具體的工藝流程如圖1 所示。
圖1 磷渣加氣混凝土制備工藝流程圖
Fig.1 flow chart of the aerated concrete with alkali-phosphorus slag
2 實驗結(jié)果與討論
實驗以加氣混凝土的容重為指標(biāo)，用單因素實驗的方法研究了各種因素對其的影響，同時實驗中測試了不同齡期的加氣混凝土的抗壓強度。根據(jù)初期的探索，確定了實驗的基準(zhǔn)配合比，見表3 所示，下面實驗中對各因素的研究都在此基準(zhǔn)配合比基礎(chǔ)上進行的。
表3 實驗基準(zhǔn)配合比
Table 3 proportioning of benchmark
2.1 發(fā)氣劑摻量的影響
本研究選用鋁粉作為發(fā)氣劑，實驗結(jié)果見表4 所示：
表4 發(fā)氣劑摻量的影響
Table 4 influence of gas-former on bulk density
從表中可以看出，磷渣加氣混凝土的容重隨著鋁粉摻量的增加而減輕的，但是當(dāng)鋁粉的摻量超過0.296%以后，鋁粉摻量的增加對減輕加氣混凝土的容重所起的作用已經(jīng)不大；當(dāng)Al 的摻量達到0.444%時，磷渣加氣混凝土容重反而略有增加，說明過量的鋁粉會導(dǎo)致料漿澆注時產(chǎn)生塌模，這不利于料漿的澆筑穩(wěn)定性。實際生產(chǎn)中適應(yīng)根據(jù)加氣混凝土具體的容重選擇合適的鋁粉摻量。
2.2 水玻璃模數(shù)的影響
實驗中是用堿激發(fā)的方式使磷渣產(chǎn)生活性的，根據(jù)以往學(xué)者們研究堿磷渣膠凝材料的資料[5-6]，堿激發(fā)劑——水玻璃的模數(shù)一般需調(diào)制至1.2～1.5 之間，因為在這個范圍內(nèi)磷渣膠凝材料的抗壓強度最高即磷渣的活性在這個范圍內(nèi)最大。實驗中用NaOH 將水玻璃模數(shù)分別調(diào)至1.0，1.2，1.4，1.6 后進行實驗，實驗結(jié)果見圖2 所示：
從圖2 中的曲線來看，當(dāng)水玻璃模數(shù)小于1.1 或者大于1.5 以后，加氣混凝土的容重變化很大，當(dāng)模數(shù)為1.6 時的容重已接近900 kg/m3；而當(dāng)模數(shù)在1.1～1.5 之間時，加氣混凝土的容重在570～650 kg/m3 之間，變化不大；實驗結(jié)果表明：水玻璃模數(shù)不但影響磷渣活性的激發(fā)，而且對磷渣加氣混凝土的容重也會產(chǎn)生影響。為了制備出容重≤800 kg/m3 的加氣混凝土制品，水玻璃模數(shù)應(yīng)控制在1.0～1.5 之間。
2.3 堿含量的影響
堿含量是以堿激發(fā)劑中的Na2O 質(zhì)量與總的粉料質(zhì)量的百分比來計算的。根據(jù)李志清[6]的研究，Na2O 的含量在6%左右時對激發(fā)磷渣膠凝材料的活性最為有利。實驗中研究了料漿中堿含量的影響，結(jié)果見圖3 所示：
當(dāng)Na2O 的含量在5.5%～6.5%之間時圖3 中曲線比較平穩(wěn)，說明在這個范圍內(nèi)堿含量的多少對加氣混凝土的容重影響不大；當(dāng)Na2O 含量少于5.5 時，曲線曲率變大，加氣混凝土容重迅速增加，這是因為料漿中的堿含量不足影響了Al 的發(fā)氣速率，導(dǎo)致料漿發(fā)氣時出現(xiàn)發(fā)氣量不足和憋氣的現(xiàn)象。
需要注意的是，料漿中堿含量的增加雖然有利于鋁粉的發(fā)氣，但同時也會影響料漿的澆注穩(wěn)定性。因為如果鋁粉的發(fā)氣速度快于料漿的稠化速度，會造成澆注時料將表面出現(xiàn)大量的氣泡（冒泡）甚至?xí)?dǎo)致塌模[3]，這不利于料漿的澆注穩(wěn)定性。綜合以上的分析，為了制備出容重≤800 kg/m3 的加氣混凝土制品，料漿中的堿含量應(yīng)控制在5.5%～6.5%之間。
2.4 水固比的影響
水固比的大小不僅會影響加氣混凝土的強度，而且對密度也有較大的影響，水固比越小，強度越高而密度也會增大。但同時還應(yīng)考慮澆筑、發(fā)氣膨脹過程中的流動性和穩(wěn)定性[3]。以上是水固比對普通加氣混凝土的影響，為了研究水固比對磷渣加氣混凝土容重的影響，我們做了水固比與容重關(guān)系的實驗（實驗中的水包括堿激發(fā)劑中的水和實驗時加入的水），實驗結(jié)果如圖4 所示：
圖中直線是用Origin 軟件對數(shù)據(jù)進行線性分析和擬合后的結(jié)果，圖中實驗數(shù)據(jù)雖然有一定的離散性但都均勻的分布在直線兩側(cè)，說明磷渣加氣混凝土的容重總體上是隨著水固比的增加而降低的，實驗中發(fā)現(xiàn)：水固比控制在0.29~0.33 之間最適合于料漿的澆注。當(dāng)水固比低于0.29 后，料漿的流動性也隨之變差，這對料漿的澆筑和膨脹都會產(chǎn)生不利影響；而水固比超過0.32以后，雖然料漿流動性會提高，但是由于料漿稠度變化導(dǎo)致發(fā)氣過程中易出現(xiàn)冒泡，塌模等現(xiàn)象，也不利于料漿的澆筑成型。
2.5 堿溶液溫度的影響
堿溶液即堿激發(fā)劑，用NaOH 和水玻璃調(diào)制堿激發(fā)劑時會有熱量產(chǎn)生使堿溶液溫度升高，實驗時將相同的堿激發(fā)劑存放至不同的溫度后進行實驗，實驗結(jié)果見表5：
表 5 堿溶液溫度的影響
Table 5 influence of temperature of alkali solution
表中的時間是從加入鋁粉開始計算的，由實驗結(jié)果可知：堿溶液溫度對加氣混凝土的容重影響不太明顯，但是對料漿的稠化速度影響很大，溫度越高料漿稠化時間越短即稠化速度越快，這說明較高的溫度更有利于促進磷渣活性的激發(fā)，加速堿膠凝材料的水化。從表5可以看出，當(dāng)堿液溫度為50 ℃時，加入鋁粉后在攪拌過程中料漿就已經(jīng)開始膨脹發(fā)泡，這導(dǎo)致料漿無法順利的校注成型。出于操作時間和生產(chǎn)方面的考慮，配制好的堿激發(fā)劑一般應(yīng)陳化到室溫（20 ℃）時再進行實驗。
2.6 磷渣加氣混凝土的力學(xué)性能
力學(xué)性能是加氣混凝土的重要指標(biāo)，一般僅以抗壓強度來表示加氣混凝土的強度[3]。研究中的磷渣加氣混凝土不是靠蒸壓而是靠自然養(yǎng)護獲得強度的，所以研究了加氣混凝土的強度與養(yǎng)護齡期的關(guān)系。實驗時加氣混凝土試塊均是放在混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室中養(yǎng)護，到齡期后取出試塊待其表面水分晾干（此時試塊含水率約在20%—25%之間），然后再進行抗壓強度的測試，實驗結(jié)果見表6：
表6 抗壓強度與養(yǎng)護齡期的關(guān)系
Table 6 relationship between compressive strength and curing age
從表6 中加氣混凝土試塊的強度分析，磷渣加氣混凝土無需蒸壓養(yǎng)護，只需要在混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下養(yǎng)護即可獲得較高的強度，容重在525~887 kg/m3 的磷渣加氣混凝土養(yǎng)護28d 后其抗壓強度分別能夠達到3.3~9.3 MPa。按照GB 11968-2006《蒸壓加氣混凝土砌塊》中的規(guī)定，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28d 后的免蒸壓磷渣加氣混凝土，其容重級別符合B05~B08 的要求，強度級別可以達到A2.5~A7.5 的要求。
從強度隨養(yǎng)護時間的變化來分析，加氣混凝土的強度發(fā)展大致可以分成三個階段：從成型到28 d 時為第一個階段，這個階段是其強度快速增長期，加氣混凝土強度在這個階段發(fā)展最快，這是被激發(fā)出活性的磷渣不斷水化的結(jié)果所致；從28 d 到60 d 為第二個階段，加氣混凝土的強度在這個期間增長不明顯，這個階段磷渣的水化基本已經(jīng)結(jié)束，因此試塊強度增長緩慢；從60 d 以后為第三階段，此時加氣混凝土強度又有增長但幅度不大，這可能是試塊中的粉煤灰開始部分水化的結(jié)果。
2.7 水化機理淺析
程麟等人[5]認(rèn)為堿磷渣膠凝材料的水化過程如下：堿激發(fā)劑加入水中后迅速水解生成大量的OH–，溶液的pH 值急劇升高，磷渣的表面最先發(fā)生溶解，磷渣溶解過程中會在溶液中產(chǎn)生大量的Ca2+，[SiO4]4–等離子。另外由于磷渣中還含有少量的Al，因而在強堿性溶液中還會由于溶解形成[AlO4]5–等離子，溶液中大量的Na+，Ca2+又會和[SiO4]4–，[AlO4]5–發(fā)生聚合反應(yīng)而形成CSH、沸石類礦物，它們不斷聚合從而形成整個堿磷渣水泥的骨架。由此可見，堿磷渣膠凝材料的水化是一個“溶解–聚合”的過程。根據(jù)李志清的研究結(jié)果，以水玻璃為激發(fā)劑制備的堿磷渣膠凝材料的水化產(chǎn)物主要是C-S-H、水化硅鋁酸鈣等[6]。
3 結(jié)論
1、實驗表明以堿磷渣為原材料可以制備出免蒸壓的加氣混凝土制品，這不僅消耗掉了工業(yè)廢渣有利于提升磷渣的價值，同時也為加氣混凝土增加了一個新的品種。制品中的固體廢棄物（磷渣和粉煤灰）質(zhì)量已占到制品中粉料總量的90%以上。
2、發(fā)氣劑摻量，水玻璃模數(shù)，料漿堿含量，水固比都會影響磷渣加氣混凝土的容重，要制備B05~B08 級的磷渣加氣混凝土，鋁粉摻量為0.1%～0.4%，水玻璃模數(shù)為1.0～1.5，Na2O 含量在5.5%～6.5%之間，水固比應(yīng)控制在0.29～0.32 范圍內(nèi)。在實際生產(chǎn)過程中應(yīng)根據(jù)所要求制備的磷渣加氣混凝土的容重，在以上所給的參數(shù)的范圍內(nèi)合理的選擇各參數(shù)的值。
3、堿溶液的溫度對磷渣加氣混凝土的容重影響不大但對料漿稠化速度影響很大，溫度越高料漿稠化速度越快。為了有充分的時間澆筑成型，堿溶液溫度一般應(yīng)控制在20℃左右。
4、磷渣加氣混凝土是靠自然養(yǎng)護方式而非蒸壓方式獲得強度，這不僅節(jié)約了資源降低了成本，而且不會在生產(chǎn)中造成二次污染。養(yǎng)護28d 后容重級別為B05~B08 的加氣混凝土，其強度級別可以達到A2.5~A7.5，能夠達到甚至超過GB 11968-2006 中對加氣混凝土強度的要求。
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Study on Affecting Factor of Non-Autoclaved Aerated Concrete with
Alkali-phosphorus Slag
Abstract: In order to use phosphorus slag in a better way, aerated concrete with alkali-phosphorus slag with non-autoclaved was investigated In this paper.In the experiment ,the impact of some factors on aerated concrete bulk density which include the mixing amount of foaming agent, sodium silicate modulus, alkali content, the ratio of water to solid, and the temperature of alkali solution was investigated,and according to the standard of GB 11968-2006,the aerated concrete was in the level of B05~B08 in bulk density and A2.5~A7.5 in compressive strength.The results indicated that: alkali-phosphorus slag can be used to make aerated concrete with autoclave curing free, and its mechanics performance conforms to the relevant requirements.
Key words: alkali-activator；phosphorus slag；aerated concrete；non-autoclave curing
